基于Kriging替代模型的燃机部件优化设计.pdf

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1、犬硿大李颀士莩位坨文基于替代模型的燃机部件优化设计学科专业作者姓名熊丽萍指导教师李教授答辩日期一—年月硕士学位论文基于替代模型的燃机部件优化设计作者姓名：熊丽萍学科、专业：工程力学学号：指导教师：李刚（教授）完成日期：大理工大嗲大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外本论文不包含其他个人或集体巳经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之

2、处，本人愿意承担相关法律责任。大连理工大学硕士学位论文摘要随着人类工业体系的发展，工业设备的复杂程度也随之增大，以往针对简单结构部件精细模型的优化设计方法变得难以实现。为此，需要引入替代模型来简化优化设计过程。本文针对新型燃气轮机的部件优化设计问题，探讨了基于替代模型的优化方法，研宄了提高替代模型精度的更新方法，提出了基于一次拟合和序列更新拟合替代模型的自动化优化流程，并应用于燃气轮机的转子转盘和机匣的几何尺寸优化设计。本论文的主要工作包含以下三个方面：推导和探讨替代模型的原理、特点，给出了基于一次拟合和序列更新拟合的替代模型自动化优化流程，并在软件平台

3、上加以实现，用四种标准检验函数对其精度进行了验证；以燃机转子轮盘为研宄对象，在转动时易出现应力集中和顶部倾斜等现象，故以转子几何尺寸为优化设计变量，进行轻量化设计。运用基于模型的自动化优化流程完成优化设计，并在精度和效率两方面，与传统的基于精细模型的优化设计进行了比较，验证了基于模型的优化设计方法的效率很高且精度合理。在燃机机匣的优化设计中，按结构模型和接触类型的不同，建立了四种模拟机匣在热力耦合作用下椭圆形变的有限元模型，比较分析结果并选定优化模型。再以法兰尺寸和机匣厚度为优化设计变量，进行轻量化和降低椭圆度的两目标优化。此方法具有通用性，能广泛用于各

4、种复杂工程。关键词：替代模型；燃气轮机；优化；一次拟合；序列更新基于替代模型的燃机部件优化设计，：大连理工大学硕士学位论文目录燃气轮机简介工作原理国内外发展和研宄现状替代模型研宄概况本文主要研宄内容替代模型基本原理模型特点工具包简介模型拟合精度探讨函数函数函数函数本章小结基于替代模型的优化优化流程更新准则基于优化方法的讨论函数函数函数函数本章小结燃机转子轮盘有限元分析模型及优化转子轮盘简介有限元分析分析模型基于替代模型的燃机部件优化设计分析结果讨论优化设计优化模型优化结果及讨论本章小结燃机机匣有限元分析模型及优化机匣简介有限元分析模型简化椭圆度定义优化设

5、计优化模型优化结果及讨论本章小结■攻读硕士学位期间发表学术论文情况；大连理工大学学位论文版权使用授权书大连理工大学硕士学位论文绪论燃气轮机，是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，是一个国家工业综合实力的体现，对保障能源安全与改善能源结构、提高国防实力、实现可持续发展具有重大意义。燃气轮机工业是高投入、高产出、高效益的高科技产品，自世纪年代成功制造以来，燃气轮机飞速发展，已广泛运用于发电、分布式能源、天然气管线动力、舰船、航空飞机、坦克战车动力等军民领域，其产品谱系越来越全，应用范围越来越广，产业规模越来越大⑴。对于由上万个零件组成的燃气轮机，其复杂程

6、度很高，每个部件之间的相互协调作用以及其装配间隙，对燃气轮机的工作效率均有重要影响。在进行大型复杂系统与多学科结构优化时，常常会因迭代次数过多、计算量太大和试验次数多而导致优化周期相当漫长，无法实施。为了解决这类问题，替代模型方法便被应用于复杂结构优化领域中。燃气轮机简介工作原理燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。主要由三大部件组成：压气机、燃烧室（和燃气透平（，再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助设备。燃气轮机的工作过程是，压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压

7、气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应地提高；压缩空气被送到燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，生成高温高压的燃气；接着再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，同时输出电功，从透平中排出的剩余气体排至大自然中放热。这样，燃气轮机实现了把燃料的化学能转化为热能，再将热能部分转换为机械能的过程。通常燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在燃气轮机启动的时候，首先需要借助外界的动力系统（常是起动机带动压气机），带动其运转起来直至燃气透平自身做的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界动力系统停止工作脱扣，燃气轮机才

8、开始独立自主工作燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高